JPH08509544A

JPH08509544A - 偏光および誘導ラマン増幅を利用した散乱物質を通したタイム・ゲート制御式結像

Info

Publication number: JPH08509544A
Application number: JP6517044A
Authority: JP
Inventors: マークバッシュカンスキー、; ジョンエフ．ラインティェス、
Original assignee: US Government
Current assignee: US Government
Priority date: 1993-01-15
Filing date: 1994-01-06
Publication date: 1996-10-08
Also published as: US5418797A; CA2153880A1; AU6021094A; WO1994016621A1; AU678812B2; KR100325486B1; EP0680276A4; EP0680276A1

Abstract

(57)【要約】散乱物質（１７）内にまたは散乱物質を通して結像するための装置は、広帯域レーザ一参照ビーム（Ｒ）および参照ビームに相互に関係付けられたストークス照明ビーム（Ｓｉ）を生成するためのソース（２０）を具備する。ストークス照明ビームは、散乱物質内に伝送され、第１像搬送成分および第１非像成分を持つストークス信号ビーム（Ｓｓ）を得る。その後、参照ビームおよびストークス信号ビームは、別個に遅延され（Ｒｄ、Ｓｄ）、偏光される（Ｒｐ、Ｓｐ）。その後、参照ビームおよびストークス信号ビームは結合され、ストークス成分および参照成分を持つ結合ビーム（Ｃ）が作成される。結合ビームに反応する誘導ラマン増幅器（３０）は増幅された信号ビーム（Ａ）を作り出し、その中では像搬送成分が非像成分より高い利得係数によって増幅される。

Description

【発明の詳細な説明】偏光および誘導ラマン増幅を利用した散乱物質を通したタイム・ゲート制御式結像関連出願に対するクロスリファレンス本出願は、譲渡された米国出願番号０７／８６１，２１３の、１９９２年３月３１日に、レインジェス（Ｒｅｉｎｔｊｅｓ）、ダンカン（Ｄｕｎｃａｎ）、マホン（Ｍａｈｏｎ）、タンカースリー（Ｔａｎｋｅｒｓｌｙ）、ウェイナント（Ｗａｙｎａｎｔ）、およびバシュカンスキー（Ｂａｓｈｋａｎｓｋｙ）により出願された「誘導ラマン増幅を利用した不透明な散乱物質を通したタイム・ゲート制御式結像」、譲渡された米国出願番号０７／９７０，８８６、１９９２年１１月３日にバシュカンスキーおよびレインジェスにより出願された「コヒーレント反ストークス・ラマン散乱を利用した散乱媒体内の物体または散乱媒体を通した物体を結像するための装置」、および譲渡された米国出願番号（海軍件番号７４，２８７）の、１９９２年１２月３０日に、バシュカンスキーおよびレインジェスにより出願された「複数波混合を利用することにより散乱媒体内でまたは散乱媒体を通して物体を結像するための方法および装置」に関係している。発明の分野本発明は結像装置に関し、さらに詳細には、散乱物質の一部若しくは散乱物質内に埋め込まれた、又は散乱物質を通して見られる物体のタイム・ゲート制御式検査を行うために、偏光光学およびコヒーレントに増幅される誘導ラマン増幅を利用するシステムに関する。背景技術相当量の複数経路散乱が生じる媒体の一部である、若しくは、媒体内に埋め込まれている、又は、媒体を通して見られる物体の像は、散乱放射がさまざまな経路上を移動するにより、像が散乱媒体内の複数の位置から生じるように見えるため、通常ぼやけるし、さもなければ、解像度の品質が低下するか、又は完全に暗くなる。この問題を克服するために利用できる複数の方法があるが、それぞれにある種の不利な点がある。第１の方法は、像の空間フィルター処理により、光学系の軸からあまり逸脱していない光線だけを含むようにする。この第１の方法の制限は、散乱放射の空間周波数が物体の像を形成するのに必要とされる周波数と重複するために起こる。物体が結像できる解像度が制限されるか、あるいは散乱放射を効果的に取り除くことができない。像のぼやけを克服する第２の方法は、散乱媒体から現れるもっとも初期の光だけが検出器によって記録されるように、伝送される信号をタイム・ゲート制御する方法である。この「第１光」は、散乱されないか、あるいは後に現れる光に比較して比較的に短い経路上で散乱されるものであり、そのため、最小量の像の品質低下ですむ。この第２の方法によって提供される改善の程度は、検出された信号が統合される散乱経路の長さに依存し、また、タイム・ゲートの期間によって直接決定される。一般的には、媒体の散乱特性によって決定されるある種の特性時間までは、タイム・ゲートが短くなるほど、像の品質はよくなる。生物学上の組織、または肉眼には半透明または不透明にさえ見える個体や液体などの不透明な散乱物質を通した結像には、約１０ピコセカンド以下のオーダーのゲート制御タイムが必要となる。このようなタイム・ゲート制御式結像測定を実行するのに、さまざまな形式の電子ゲート制御、および光学ゲート制御を含めた複数の技法が現在利用されている。電子ゲート制御は、光電像管を直接ゲート制御するか、あるいは光電検出回路の他の部分を切り替えることにより、達成できる。これらの技法は、現在は、５０−１００ピコセカンド（ｐｓｅｃ）以上のオーダーのゲート制御時間（１．５−３センチメートル（ｃｍ）のオーダーの最小散乱経路に対応）に制限されており、これは利用できる電子スイッチング・デバイスの制限による。別の技法は、物体の照明のためのピコセカンドまたはフェムトセカンドのパルスの利用と、時間分解能を提供するための光学ゲート制御技法を含む。このような技法は、光学パルスの長さに応じて、ピコセカンドまたはサブピコセカンド型のタイム・ゲートを提供することができる。電子ゲート制御法と比較のためにみると、１００フェムトセカンドのタイム・ゲートは、０．００３ｃｍの散乱経路に対応する。ピコセカンドまたはフェムトセカンドのパルスに適した１つのゲート制御技法はホログラフィであり、ここでは、像は照明パルスと所望の長さの参照パルスの間の一致によってのみ検出される。像が高解像度写真フィルム上に記録される従来のホログラフィでは、ホログラフィック・レコードを確立するために、参照パルスと干渉する伝送信号に大量の光が必要となる。したがって、これは、適応可能なサンプルの消光を制限する。干渉縞が感応二次元カメラにより検出され、ホログラムがコンピュータ解析により再構築される電子ホログラフィは、感度の問題を克服し、サンプルでのさらに大きな減衰を可能とする。ただし、伝送された光のすべては検出器で記録される。伝送された光の大部分が、散乱により遅延する像非搬送テール（尾部）に含まれる場合は、ホログラムを形成する干渉縞は洗い流され、像のノイズが像が完全に見えなくなるまで増加する。また、ホログラフィは、広帯域・長パルス・レーザー光でも達成できる。その場合、ゲート時間は光の帯域幅の逆数により決定される。このアプローチは、サブピコセカンド技術を必要とすることなく、サブピコセカンドのゲート時間を提供する。ただし、このアプローチには現在まで応用されてきているが、ピコセカンド・ホログラフィに関しては前述と同じ不利な点がある。つまり、大きな信号が必要であり、伝送された光の像搬送部分と像非搬送テールとの間のコントラストが比較的低い。短いパルスのゲート制御の別の技法には、カー・シャッターの利用があり、ここでは、交差した偏光器間のセルを通る光の伝送が光の第２パルスにより制御される。このアプローチのゲートタイムは、制御する光パルスの期間およびカー・ゲート内のアクティブ媒体の応答時間に応じて、ピコセカンド程度とすることができる。この技法には、偏光器からの誤った偏光の漏れによるコントラストの制限、および伝送が１００％未満であることによるカー・ゲートでの損失という欠点がある。コントラストは、カスケード式ゲートによって増加させることができるが、この場合、全体の伝送は犠牲にすることになる。伝送の損失は、特に、生きた組織のような許容照射レベルに制限のある、高度に減衰するサンプルを通して見るのに不利益である。ピコセカンドのタイム・ゲート制御式増幅器による像増幅も、従来技術で説明されている。これらの増幅器は、ピコセカンド・レーザー・パルスによってポンピング操作される色素増幅器に基づいている。色素増幅器は、それ自体は、数ナノセカンド程度の緩和時間を有し、それゆえ同程度の長さのゲート制御時間を有する。ピコセカンドのゲート制御時間は、上位レーザー・レベルからの大量の照射が発生し、ポピュレーション「ダンピング」および上位状態の寿命の減少につながる程度まで、色素濃度およびポンピング・レベルを引き上げることにより達成された。これらの増幅器の制限とは、短いゲート制御時間を生成するのに必要な高レベルの蛍光発光が、増幅された像の上部に背景を提供し、感度を制限し、ノイズ・レベルを増加させるということである。増幅器は１００から１０００のゲインしか得られないので、遅延光のコントラストの程度を制限する。最後に、増幅器のノイズ・レベルの基本的な考察から、時間−帯域幅積△ν△ｔ＝１であるときに最小のノイズ・レベルが発生するということが分かる。色素蛍光は、色素増幅器の全帯域にわたって照射され、５００ｃｍ^-1のオーダーである。その結果、１０ピコセカンド程度のゲート制御時間のためには、時間−帯域幅積は１００を越え、最小ノイズ値を同じ係数で増加させる。いくつかの他の技法も可能である。ストリークカメラを利用して像を記録することができる。現在は、２ピコセカンドまでの時間分解能が可能である。ただし、一次元像だけしか得られず、二次元像を作成するためには走査が必要となる。加えて、ストリークカメラの感度は限られているので、低レベルの信号を検出する場合にその効用を制限する。時間ゲート制御を利用する別のアプローチは、４波混合の技法を利用する。このアプローチでは、信号ビームは、ともに伝播するピコセカンド光パルスに照射されている非線形媒体に当たる。信号光の変換は、ゲート制御パルスが存在する間にだけ発生する。このアプローチのおもな欠点は、変換プロセスに伴う低い変換効率（１０％以下）と、生きた組織の照射に関するＡＮＳＩ規格によって設定される許容照明信号に対する制限の組み合わせである。また、位相共役を利用する４波混合も提案された。この技法の不利な点は、位相共役は、屈折歪みを是正することができるが、基本的考察による散乱歪みを是正することはないという点である。また、非時間ゲート制御技法も、非像光と区別するために、空間相互関係を利用したホログラフィック記録の利用を含む。このアプローチには、ホログラフィに関して前述したように、相互に関係付けられていない光との低いコントラストが原因の同じ限界がある。最後に、サンプルでの吸収を利用して、複散乱光に伴う、より長い経路を減衰させることもできる。これは、吸収力が高い物質ではうまくいくが、吸収より主に散乱する物質ではうまくいかない。時間ゲート制御に利用されず、時間ゲート制御式結像には実用的ではない関連ラマン相互作用には、ラマン誘導カー効果分光学（ＲＩＫＥＳ）がある。この相互作用では、２つの狭い帯域ビームが利用される。つまり、固定波長のポンプ・ビーム、およびラマン共鳴に近い波長で変化するプローブビームである。ＲＩＫＥＳ相互作用では、ポンプ輝度により物質内で複屈折が誘発され、プローブの偏光が変えられる。プローブは交差した偏光器を通して検出され、その波長がラマン共鳴を通して合わせられるに従って生じる輝度の変化は分光学上の情報を提供する。発明の開示本発明の目的は、タイム・ゲート制御の利用により散乱物質の一部であるか、散乱物質内に埋め込まれているか、あるいは散乱物質を通して見られる物体の光学検査を提供することである。本発明の他の目的は、偏光光学および誘導ラマン増幅を利用して、散乱物質の一部であるか、散乱物質内に埋め込まれているか、あるいは散乱物質を通して見られる物体のタイム・ゲート制御式結像を提供することである。本発明の更なる目的は、偏光光学、誘導ラマン増幅、および短パルスの広帯域確率照明ビームを利用して、散乱媒体の一部であるか、散乱媒体内に埋め込まれているか、あるいは散乱物質を通して見られる物体のタイム・ゲート制御式結像を提供することである。本発明の他の目的は、偏光光学、誘導ラマン増幅、および限られたエネルギーの広帯域確率照明ビームを利用して、散乱媒体の一部であるか、散乱媒体内に埋め込まれているか、あるいは散乱物質を通して見られる物体のタイム・ゲート制御式結像を提供することである。本発明の他の目的は、像搬送光の偏光光学および誘導ラマン増幅を利用することにより、散乱物質の一部であるか、散乱物質内に埋め込まれているか、あるいは散乱物質を通して見られる物体の直接的な二次元結像を非像光に対して最高１０¹⁰の高いコントラストにて提供することである。本発明の更なる目的は、ピコセカンドの時間分解能による誘導ラマン増幅を利用することにより、生物組織の直接的なタイム・ゲート制御式結像のための装置および方法を提供することである。以上およびその他の目的は、散乱物質内へ、または散乱物質を通して結像する装置により達成される。この装置は、広帯域レーザー参照ビーム、及び参照ビームに相互に関係付けられたストークス照明ビームを作り出すためのビームを具備し、広帯域参照ビームは、事前に選択したラマン・ポンプ波長に中心波長があり、ストークス照明ビームは、事前に選択したストークス波長に中心波長がある。ストークス照明ビームは散乱物質内に伝送され、第１の像搬送成分および第１の非像成分を持つストークス信号ビームを得る。参照ビームに反応する手段は、遅延参照ビームを作り出し、ストークス信号ビームに反応する手段は、第２の像搬送成分および機能的に第１の非像成分に依存する第２非像成分を持つ遅延ストークス信号ビームを作り出し、遅延参照ビームおよび遅延ストークス信号ビームの第２の像搬送成分が、事前に選択した時間差の分、異なるようにする。遅延参照ビームは偏光され、遅延ストークス信号ビームは偏光される。偏光されたストークス信号ビームは偏光された像搬送成分および偏光された非像成分を持つ。偏光された参照ビームと偏光されたストークス信号ビームは結合され、ストークス成分および参照成分を持つ結合ビームを作り出す。ここで、ストークス成分は第３の像搬送成分および第３の像非搬送要素を持ち、第３の像搬送成分および参照成分は相互に関係付けられるようにされ、ストークス成分の偏光状態は参照成分の偏光状態と異なるようにされる。結合ビームに反応する誘導ラマン増幅器は、ストークス成分の偏光状態に垂直な偏光状態を有する第４の像搬送成分を持ち、ストークス成分の偏光状態に平行な偏光状態を有する第４の非像成分を持つ増幅信号ビームを作り出す。第４の像搬送成分は、偏光器の利用により増幅信号ビームの残りから分離され、その後、検出される。図面の簡単な説明本発明自身のみならず、本発明の上記およびその他の目的、特徴、ならびに優位点は、以下の詳細な説明を参照し、付随の図面と伴に考慮することで、さらによく理解されることになる。図中、同様の参照符号は複数の図にわたって同一の部分または対応する部分を示す図１は、本発明の実施の形態の概要ブロック図である。図２は、図１の実施の形態における典型的なビーム・ソース２０の概要ブロック図である。図３（ａ）−図３（ｈ）は、本発明の動作を理解に役立つ偏光状態（一定のスケールで描かれていない）を示す。発明を実施するための最良の形態図面を参照すると、図１は、存在する場合は、散乱物質１７の一部であるか、散乱物質内に埋め込まれているか、あるいは散乱物質を通して見られる１つ以上の物体１５の検出および検査のための、本発明に従ったシステム１０を示す。本発明により結像させることが可能な物体の例としては、牛乳および生肉などの数センチメートルの散乱物質を通して見られる分解能チャート、散乱物質を通して見られるかあるいは散乱物質内に埋め込まれている針およびピン、ならびに柔らかな組織内の腫瘍などがある。本発明が、柔らかな生物組織内の腫瘍の検出および検査を行う上で、および産業汚染物質の検出および検査を行う上で有効となることが予想される。物体１５は、１個の分子と同じくらい小さくてもよいし、散乱物質１７全体ほどの大きい空間を占めてもよい。それらと関係なく、物体１５は、後述するように、散乱物質１７を照らすストークス光に関して、光学的に散乱物質１７と区別できるものでなければならない。結像システム１０は、散乱物質１７の像（不図示）を作り出し、その像は物体１５の存在または不在を示す。物体１５が散乱物質１７内に存在する場合は、像は物体１５に関する情報を含んでいる。ビーム・ソース２０は、広帯域参照ビームＲおよびストークス照明ビームＳi 、すなわち後述するように、参照ビームＲに相互に関係付けられた振幅および位相を作り出す。参照ビームＲは、事前に選択したラマン・ポンプ波長λpに中心波長があり、ストークス照明ビームＳiは、事前に選択したストークス波長λｓに中心波長がある。後述するように、誘導ラマン増幅器３０は、ポンプ波長λｐでポンピングされ、ストークス波長λsの信号を増幅する。参照ビームＲとストークス照明ビームＳiの相互関係の度合いは、正規化されたフィールド相関関数により与えられる。ここで、Ａ_RおよびＡ_Siは、それぞれ参照ビームＲおよびストークス照明ビームＳiの複素振幅であり、また、τは遅延定数であり、角括弧内の式を最大化するように選択された値を持つ。ρ′の値（式１）は、完全に相互に関係付けられていないビームの場合の０から、完全に相互に関係付けられているビームの場合の１まで変化する。パルスを含むコヒーレント・ビームに対しては、完全な相互関係（ρ′＝１）は、各ビーム中のパルスの包絡線間の重複から構成される。広帯域確率放射に対しては、完全な相関関係（ρ′＝１）が生じるのは、一方のビーム中の位相および振幅の変化がもう一方のビーム中で再生され、一方のビームの振幅および位相の構造がもう一方のビームの対応する振幅および位相の構造と一致するときである。本発明は、参照ビームＲとストークス照明ビームＳiの間の相関関係ρ′がいかなる度合いのときでもある程度のレベルではうまく行くが、その性能はρ′の値が１に近づくにつれて向上する。相関関数ρ’が１になるのは、ストークス照明ビームＳiが参照ビームＲに比例するときである。つまり、のときである。ここで、φSiおよびφRは、それぞれストークス照明ビームＳiと参照ビームＲの位相である。遅延に関して調整されていない信号ＤとＲの振幅および位相の相関関係ρは、次の通りである。ここで、Ａ_RおよびＡ_Dは、それぞれ参照ビームＲとストークス照明ビームＳiの複素振幅である。参照ビームＲとしては、最適の光学ゲート時間用に選択されたパルス期間または帯域を有するレーザー・パルス・ビームが典型的である。このようなパルス・ビームのコヒーレンス時間△ｔcは、最高でもそのゲート時間でなければならない。この条件は、最長でもそのゲート時間の期間を有するコヒーレント・パルスにより満たされる。また、この条件は、パルス期間がゲート時間であるため、コヒーレンス時間△ｔcが最長でもそのゲート時間となるような、充分に広い帯域の比較的に長い確率パルスによっても満たされる。このような広帯域パルスは、成分パルスの重ね合わせとして考えることも可能で、各成分パルスはコヒーレントであり、長くても△ｔcというパルス期間を有し、他の成分パルスに関して、ランダムな位相を持つ。生物物質の中への又は生物物質を通しての結像に対しては、最適光学ゲート時間は、通常、０．１ピコセカンド（ｐｓｅｃ）から３０ｐｓｅｃの範囲にあり、ポンプ波長λｐは、４００ナノメートル（ｎｍ）から１マイクロメートル（μｍ）の範囲にある。次に図２を参照すると、ビーム・ソース２０の例が示されており、これは、振幅と位相の高い相関関係ρ′（Ｒ、Ｓi）（式１）を有する参照ビームＲおよびストークス照明ビームＳiを作り出す。図２に示されるように、レーザー４０または他のコヒーレント光ソースが、波長λpのレーザー光Ｌを作り出す。ビームスプリッタ５０は、光Ｌを参照ビームＲとストークス・ソース・ビームＳ_SOに分割し、参照ビームＲおよびストークス・ソース・ビームＳ_SOが別個の経路に沿って伝播するようにする。参照ビームＲとストークス・ソース・ビームＳ_SOの波長は共に、λpである。ストークス・ソース・ビームＳ_SOは、ラマン発生器物質（不図示）を含むラマン発生器６０に入る。ラマン発生器物質とこの波長λpのストークス・ソース・ビームＳ_SOとの相互作用に呼応して、ラマン発生器６０は、ラマン発生器６０に含まれるラマン発生器物質のラマン・シフトに対応する量だけ、ポンプ波長λp から波長がシフトした光を作り出す。このシフトの結果、ラマン発生器６０は、波長λsのラマン・シフトされた成分と波長λｐのシフトされていない成分を有するストークス光Ｓlを作り出す。ストークス光Ｓlはフィルター７０に渡され、フィルタはそこを通るラマン・シフトされた波長λsの成分を伝送し、シフトされていない波長λp、およびそれ以外のすべての波長の光、例えば、波長λa-sの反ストークス光などをブロックする。フィルター７０を通過して伝送される光は、ストークス照明ビームＳiである。ラマン発生器６０内のラマン発生器物質は、気体、液体、または固体である場合がある。一般的には、ラマン発生器６０は、事前に決定された気圧の水素やメタンなどの気体で満たされている。異なった種類のラマン発生器物質のそれぞれが、関連したラマン・シフトされた波長を作り出す。広帯域確率放射に対しては、参照ビームＲおよびストークス・ソース・ビームＳ_SO（参照ビーム線幅△νR）の帯域は、ラマン発生器６０（ラマン線幅△νL）内の物質のラマン遷移のスペクトルの幅と比較して広くなければならない。水素ガスでのゲート制御に適した帯域の組み合わせの例は、６×１０⁸ｓｅｃ^-1のラマン線幅△νLと、４×１０¹²ｓｅｃ^-1の参照ビーム線幅△νRである。この発明が有効となるために、参照ビーム線幅△νRが、ラマン線幅△νLに関してどの程度の広くなければならないのかは正確には分かっていない。しかしながら、参照ビーム線幅△νRのラマン線幅△νLに対する割合が、結像システム１０により得ることができる最大量のコントラストを決定するということが信じられている。図１に戻って、ビーム・ソース２０は、シングル・パス・ラマン発生器６０（図２）、マルチプル・パス・ラマン発生器セル６０（図２）、ラマン発生器−増幅器６０（図２）、又は独立レーザー（不図示）を具備することができる。それに関係なく、波長λpおよびλsは、（１／λp）−（１／λs）＝ν０という関係に従わなければならない。ここで、ν０は、誘導ラマン増幅器３０で使用される物質のラマン・シフトである。ストークス照明ビームＳiは、散乱物質１７の中に伝送され、ストークス信号ビームＳ_Sが得られる。光学縦列８０は、ストークス照明ビームＳiを散乱物質１７の中に伝送する。光学縦列８０は、１個以上のレンズ（不図示）、１つ以上の鏡（不図示）、１つのファイバー束（不図示）、又はこれらの構成要素の組み合わせから成ることができ、ストークス照明ビームＳiの空間サイズを調節するように配置されて、散乱物質１７において所望の照明領域を提供するようになる。また、散乱物質１７が持つ可能性のあるすべての最大照明要件を満たすために、光学縦列８０は、散乱物質１７でのストークス照明ビームＳiの輝度を調節するのに使用することができるフィルター（不図示）を具備することもできる。散乱物質１７に入るストークス照明ビームＳiが平行されていることが望ましいことに、ここで注目すべきである。ビーム・ソース２０から伝播するストークス照明ビームＳiは、望ましくは平行にされなければならない。ただし、ストークス照明ビームＳiがビーム・ソース２０の出力で平行にされていない場合には、光学縦列８０がこの光を平行にするように設計されることが望ましい。本発明の実施に絶対的に必要なわけではないが、散乱物質１７に入る光Ｓiが偏光されていることが望ましい。ビーム・ソース２０の出力Ｓiは、通常偏光されているが、光学縦列８０が散乱物質１７に入る光Ｓiを偏光するように設計してもよい。通常は不透明な散乱物質である散乱物質１７は、図１に、散乱物質１７の内部構造による小散乱片を表す複数の小さな線と共に示されている。最終的に誘導ラマン増幅器３０に対する信号光を形成することになる光は、最少時間内で、偏光状態の最小変化で、この散乱物質１７の中に、又はこの散乱物質を通して伝送される光である。この光は目的の像を搬送するもので、ストークス・ソース・ビームＳ_Sの像搬送成分である。さらに詳細にいうと、この像搬送成分とは、散乱物質１７内で散乱されなかったか、又は散乱物質１７内で散乱されたが、その元の経路からの変位が最小で、偏光状態の変化が最小である、散乱物質１７から現れる光の小さな部分である。したがって、この像搬送成分とは、最初に、もっとも少ない時間内に散乱物質１７から出てくる光のその小さな部分である。散乱なしに、または最小の散乱で偏光状態の最小の変化を伴って、散乱物質１７の中に、あるいは散乱物質を通して伝送されたこの像搬送成分の性質は、散乱物質１７の物質の厚さと性質に依存する。散乱物質１７の種類に応じて、この非散乱・像搬送成分は、散乱物質１７を通過する際に、１０¹⁴またはそれ以上で減衰される。このような減衰は、人間の胸などの約４センチメートルの組織を通して伝送される際に予想される光の損失の典型的なものであろう。ここでは注目すべきなのは、散乱物質１７が人間の胸のような生きた人間の組織であるとき、このような人間の組織を光学放射が通過しても、その人間の組織に当たる光の強度が皮膚の損傷の限度を下回っている限り、その人間の組織にいかなる損傷も与えないという点である。対照的に、現在、乳房Ｘ線撮影で行われているように、胸をＸ線で検査すると、放射の電離性質のために損傷を生じさせる可能性がある。大きく散乱されることなく散乱物質１７を通して伝送された像搬送成分に加えて、散乱後に散乱物質１７から現れる光がある。この光は非像成分で、散乱物質１７の中のさまざまな経路（不図示）で散乱されることになる。非像成分は散乱され、散乱されていない光の側面に横方向に広がる。その結果、このような散乱された光の大部分は時間的に遅延することになる。さらに、その偏光状態は変えられ、非偏光で非干渉性となるだろう。しかしながら、この散乱光のある成分は、おもに前方に散乱され、散乱されていない像搬送成分内の像にも寄与することもある。散乱物質１７を通過する散乱光の大部分（非像成分）は、じゅうぶんに多く散乱され、像特性を含まなくなった光から成る。それは単なる拡散光になり、散乱物質１７の構造についての像情報のすべては、失われてしまっている。この像特性を有しない散乱光は、散乱物質１７に伝送された光パルスの光学エネルギーの大部分を構成する。遅延散乱光または後続散乱光（非像成分）と先行像搬送成分の間の正確な比は、散乱物質の特性に依存する。この比の正確な値は分かっていないが、容易に１を数桁分上回ることがある。本発明の次の目的は、像搬送成分のすぐ後に続くが大量の像を有しない光（非像成分）があるなか、散乱物質１７（像搬送成分）から、または散乱物質を通して対象の像を伝播する、前にある光の小さな像搬送成分部を見つけることである。像搬送成分のすぐ後に続く非像成分は、時間的に広がっている。この時間的な広がりは、数ピコセカンドから数百ピコセカンドまたはナノセカンドまでにもなることがある。このようにして、散乱物質１７を通して伝送される光エネルギーの大部分は、１０−１０００という係数で時間的に広がりうる長い散乱テールで搬送される。散乱物質１７から現れる総合的な光がストークス信号ビームＳ_Sである。前述したように、これは、像を運ぶ成分（像搬送成分）および像を運ばない成分（非像成分）を有する。散乱物質１７から現れるストークス信号ビームＳ_Sは、散乱物質１７を通して伝送される光だけである必要はない。それは、散乱物質１７によって反射、屈折、あるいはそれ以外の影響を受けた光であることもある。散乱物質１７から現れるストークス信号Ｓ_Sは、光学縦列９０へ進む。光学縦列９０は、レンズ及び／または球状の鏡（不図示）などの２個以上の結像要素の連なりを具備し、それは、物体１５が存在するとしたらその像を含むであろう、散乱物質１７の像、または散乱物質１７内の面の像を中継する。光学縦列９０は、１つ以上のレンズ（不図示）、１つ以上の鏡（不図示）、１つのファイバー束（不図示）、あるいはこれらの構成要素の組み合わせから成ることがある。光学縦列９０は、ストークス信号ビームＳ_S内の像を中継するために２個のレンズ（不図示）を具備するのが望ましい。第１レンズは、結像される散乱物質１７内の平面から１焦点距離離れたところに配置される。もう一方のレンズは、その焦点距離と第１レンズの焦点距離の合計分、第１レンズから離される。像を中継する際には、第１レンズがそれ自体の焦平面（不図示）内の像のフーリエ変換を作成し、第２レンズがその第１の変換のフーリエ変換を作成し、効果的に二重フーリエ変換を実行し、散乱物質１７の元の像を再生し、適用する。その上で二重フーリエ変換を実行し、単純な結像動作を実行する光学縦列９０の優位点は、二重フーリエ変換動作が像を中継するだけではなく、元の望ましくは平行にされたビームを再構築するという点である。再構築されたビームは、再構築されたビームが散乱物質１７、および存在する場合には物体１５についての光学情報を含む程度を下げずに、初期の光学要素により生じる光学発散全体を取り除くために、実施と同じように平行となっているのが望ましい。このようにして、像の光線は、誘導ラマン増幅器３０（後述される）の長さに沿って完全な相互作用も持つことができるように、増幅器３内でより完全に封じ込められる。参照ビームＲおよびストークス信号ビームＳ_Sにそれぞれ反応する参照遅延線１００およびストークス遅延線１１０は、遅延参照ビームＲdおよび遅延ストークス信号ビームＳdをそれぞれ作り出す。遅延線１００および１１０のそれぞれは、波長、スペクトル、偏光またはコヒーレンスのような光学特性とは関係なく、基本的に均一に伝送時間を調節する。誘導ラマン増幅器３０に到達する像搬送成分が、誘導ラマン増幅器３０に到達する参照成分との高い相関関数ρ（式３）を持つことが意図される。相関関数ρが伝送時間の差異により影響され、装置１０の全伝送時間が遅延線１００および１１０を通したもの以外は固定されているため、遅延線１００および１１０の相対遅延時間は調節され、誘導ラマン増幅器３０に到達する像搬送成分が、誘導ラマン増幅器３０に到達する参照成分との高い相関関数ρを持つようにされる。遅延されたストークス信号ビームＳdは、像搬送成分と非像成分を持ち、それぞれストークス信号ビームＳ_Sの像搬送成分と非像成分に反応し、それぞれとにかく遅延、位置、または伝播方向においてのみ、ストークス信号ビームＳ_Sの像搬送成分と非像成分と異なる。参照遅延線１００およびストークス遅延線１１０は、遅延参照ビームおよび遅延ストークス信号ビームの第２像搬送成分が、とにかく、事前に選択した時間差により、位置により、または伝搬方向により異なるように、調節される。参照遅延線１００の例は、鏡１１５と１２０、および矢印１４０で示される２つの方向のいずれかの方向に移動可能な逆反射体又は屋根型プリズム１３０を具備するものである。通常、屋根型プリズム１３０は、ネジや電気モーターのような移動手段（不図示）により移動される移動可能ステージ（不図示）上に取り付けられる。移動手段により、移動可能ステージは、屋根型プリズム１３０を鏡１１５および１２０の近くに（または遠くに）移動し、光学遅延線１００の長さを短縮（延長）する。ストークス遅延線１１０は、２つの鏡１４２、１４４、および移動可能な逆反射体又は屋根型プリズム１４６を具備するように設計することができる。参照遅延線１００およびストークス遅延線１１０は、遅延参照ビームおよび遅延ストークス信号ビームの第２像搬送成分が事前に選択した時間差分異なっている限り、他の状態に設計することができる。遅延参照ビームＲdと遅延ストークス信号ビームＳdの間の相対遅延だけが重要なので、遅延線の１つ、例えば、ストークス遅延線１１０は、単なる伝送線になりうる。さらに、ストークス信号ビームと参照ビームの間の相対遅延を調節するための装置は、関連しているのは誘導ラマン増幅器３０に到達するストークス成分と参照成分の相対透過時間だけであるため、システム１０の任意の位置に配置することができる。ストークス偏光器１５０は、遅延ストークス信号ビームＳdを偏光させ、遅延ストークス信号ビームＳdの像搬送成分と非像成分にそれぞれ反応する、像搬送成分と非像成分を持つ偏光されたストークス信号ビームＳpを作り出す。偏光されたストークス信号ビームＳpに適した光学偏光は、遅延ストークス信号ビームＳdの像搬送成分が偏光により影響を受けないもので、最適な偏光は線状となるものである。例えば、ストークス照明ビームＳiが線状に偏光されると、もっとも望ましくはストークス偏光器１５０は遅延ストークス信号ビームＳdを、ストークス照明ビームＳiの偏光方向と同じ方向で線状に偏光するであろう。その例によるストークス偏光器１５０は、散乱物質１７内で偏光の変化と共に散乱された光をブロックするが、像を搬送する非散乱光は通過させる。したがって、ストークス偏光器１５０の効果とは、遅延ストークス信号ビームＳdの像搬送成分を通過させ、遅延ストークス信号ビームＳdの非像成分を大きく減衰させるか、ブロックすることである。参照偏光器１６０は、遅延参照ビームＲdを偏光させ、偏光参照ビームＲpを作り出す。偏光ストークス信号ビームＳpが線状に偏光される場合は、最適参照ビーム偏光は、偏光ストークス・ビームＳpの偏光方向に関して約４５°の方向での線状偏光となるか、代わりに円偏光となるであろう。結合装置１７０は、偏光参照ビームＲpと偏光ストークス信号ビームＳpを結合し、誘導ラマン増幅器３０に対する入力用の結合ビームＣを作り出す。結合ビームＣは、ストークス波長λsに中心波長があるストークス成分Ｓc（図３（ｈ））およびラマン・ポンプ波長λpに中心波長がある参照成分Ｒ c（図３（ａ））を持ち、ストークス成分Ｓcおよび参照成分Ｒcは、本来、同一線上にある。タイミングおよび伝播方向を除き、ストークス成分Ｓcは、本来、偏光ストークス信号ビームＳpに関して未変化であり、参照成分Ｒcは、本来、偏光された参照ビームＲpに関して未変化である。偏光ストークス信号ビームＳpおよび偏光参照ビームＲpのスペクトル、偏光、およびコヒーレンスのような光学特性は、結合ビームＣを作り出す際、結合装置１７０によって本質的には変更されない。したがって、結合ビームＣのストークス成分Ｓcは、像搬送成分Ｉc（図３（ｂ））および非像成分Ｎc（図３（ｃ）））を持ち、それぞれ、偏光ストークス信号ビームＳpの像搬送成分と非像成分に反応し、それぞれとにかく遅延、位置、または伝播方向という点だけで偏光ストークス信号ビームＳpの像搬送成分と非像成分と異なる。本発明の動作のため、結合ビームＣのストークス成分Ｓcの像搬送成分Ｉc（図３（ｂ））、および結合ビームＣの参照成分Ｒc（図３（ａ））は、高い相関関係ρ（Ｒc、Ｉc）を持たなければならない（式３）。例えば、参照ビームＲが比較的に短い期間のパルスである場合、結合ビームＣの像搬送成分Ｉcおよび参照成分Ｒcは重複するはずである。参照ビームＲが確率広帯域パルスである場合は、それは、結合ビームＣの像搬送成分Ｉcおよび参照成分Ｒcの場合のように、不規則に異なる位相を持った比較的短い成分パルスの重ね合せである。ストークス成分Ｓcの像搬送成分Ｉc内の短いパルスのそれぞれは、参照成分Ｒc内の対応する短いパルスと重なり合う。前述したように、参照遅延線１００（図１）およびストークス遅延線１１０は、結合ビームＣの像搬送成分Ｉcおよび参照成分Ｒcが、振幅と位相に関して相互に関係付けられる、つまり、ρ（Ｒc、Ｉc）が最大となるように、相互に調節される。本発明の動作のため、結合ビームのストークス成分Ｓcの偏光状態は、結合ビームの参照成分Ｒcの偏光状態と異なる。ストークス成分Ｓcは最適に線状に偏光され、参照成分Ｒcは、ストークス成分Ｓcの直線偏光に関して約４５°で最適に線状に偏光される。代わりに、ストークス成分Ｓcは線状に偏光され、参照成分Ｒcは円状に偏光される。図１に示される結合装置１７０は、偏光ストークス信号ビームＳpをストークス波長λsで同時に反射し、偏光参照ビームＲpをラマン・ポンプ波長λpで誘導ラマン増幅器３０の中に伝送させる二色性のビームスプリッタ１７０である。結合装置１７０は、前述された通りである必要はない。例えば、結合装置は、偏光参照ビームＲpを反射し、偏光ストークス信号ビームＳpを伝送する二色性のビームスプリッタ（不図示）でもよい。結合装置１７０によって生成された結合ビームＣのストークス成分Ｓcは偏光され、ストークス波長λsに中心波長がある。ストークス成分Ｓcは、像搬送成分Ｉcと非像成分Ｎcを含み、その両方が同じ偏光状態を有する。像搬送成分Ｉcは、最小時間かつ最小の偏光状態の変化で散乱物質１７から現れるストークス信号ビームＳsの部分を含む。ストークス成分Ｓcの非像成分Ｎcは、散乱物質１７から現れるストークス信号ビームＳsの、散乱されたが、ストークス成分Ｓcの像搬送成分と同じ偏光状態である部分を含む。それは、ストークス成分Ｓcの像搬送成分Ｉcの後に続き、時間的に広がる。誘導ラマン増幅器３０は、結合ビームＣに反応する増幅された出力ビームＡを作り出す。より詳細には、誘導ラマン増幅器３０は、結合ビーム３の、波長がストークス波長λsである部分（つまり、ストークス成分Ｓc）および参照成分Ｒc の偏光状態に平行な偏光状態をもつ部分（つまり、結合ビームＣの波長がラマン・ポンプ波長λpである部分）を増幅する。このように増幅される結合ビームＣのこの部分は、結合ビームＣの平行ストークス成分と参照される。誘導ラマン増幅器３０は、平行ストークス・ビームおよび参照成分Ｒcの相関関数ρ（式３）に依存した利得係数によって平行ストークス成分を増幅する。その相関関数が高い場合、利得係数は高い。その相関関数が低い場合、利得係数は低く、最小の増幅をするか、若しくは増幅しない。後述するように、像搬送成分Ｉcの、参照成分Ｒcの偏光状態に平行な偏光状態を持つ部分（図３（ｂ）に示される結合ビームＣの平行像成分Ｉpa）の参照成分Ｒcに関する相関関数ρ（式３）は、非像成分Ｎcの、参照成分Ｒcの偏光状態に平行な偏光状態の持つ部分（図３（ｃ）に示される結合ビームＣの平行非像成分Ｎpa）の参照成分Ｒcに関する相関関数ρよりはるかに高い。平行な像成分Ｉpaだけが、参照成分Ｒcが存在している間に、利得を経験する。参照成分Ｒcの後に誘導ラマン増幅器３０に到達する、平行ストークス成分の残りの部分である平行非像成分Ｎpaは、散乱物質１７内での複数経路散乱により、像を搬送しない。この散乱光は、それが誘導ラマン増幅器３０に到達しないと、参照成分Ｒcとも相互関係付けられないため、平行像成分Ｉpaと同じくらい多く誘導ラマン増幅器３０により増幅されない。参照ビームＲが比較的に短い期間のコヒーレント・パルスである場合は、相関関数ρ（式３）は重複に移動する。平行像成分Ｉpaは、参照成分Ｒc内のパルスと同時に誘導ラマン増幅器３０内のパルスとして存在するので増幅され、したがって高い相関関係を持つ。平行非像成分Ｎpaは遅延され、参照成分Ｒc内にパルスがないときにだけ誘導ラマン増幅器３０に存在するため増幅されず、それゆえ低い相関関係ρ（Ｒc、Ｎpa）を持つ。参照ビームＲが確率広帯域パルスである場合、それは、結合ビームＣの像搬送成分Ｉcと参照成分Ｒcと同じように、不規則に変化する位相を持つ比較的短い成分パルスの重ね合せである。ストークス成分Ｓcの像搬送成分Ｉc内の短いパルスのそれぞれは、参照成分Ｒc内の対応する短いパルスと重なり合う。したがって、平行像成分Ｉpaおよび参照成分Ｒcは高い相関関係ρ（Ｒc、Ｉpa）を持ち、したがって平行像成分Ｉpaは増幅される。他方、平行非像成分Ｎpaと参照成分Ｒcは、重なり合うかもしれないが、平行非像成分Ｎpaの時間の成分のそれぞれが、振幅および位相という点で、参照成分Ｒcの対応する時間の成分と一致しないため、高い相関関係ρ（Ｒc、Ｎpa）は持たないであろう。したがって、平行非像成分Ｎpa は、平行像成分Ｉpaと同じ高い利得係数によっては増幅されないであろう。今度は図３（ａ）−図３（ｈ）を参照すると、誘導ラマン増幅器３０の結合ビームＣの偏光状態に対する影響が、結合ビームＣの最適偏光状態に関して示されており、ここで、参照成分Ｒcおよびストークス成分Ｓc（像搬送成分Ｉcおよび非像成分Ｎcを含む）が互いに関して４５°で線状に偏光されている。図３（ａ）は、結合ビームＣの参照成分Ｒcの偏光状態を示す。図３（ｈ）は、結合ビームＣのストークス成分Ｓcの偏光状態を示す。図３（ｂ）は、ストークス成分Ｓcの像成分Ｉcの偏光状態を示し、像成分Ｉcは、それぞれ参照成分Ｒc に対して平行および垂直である平行像成分Ｉpaおよび垂直像成分Ｉpに分解される。図３（ｃ）は、ストークス成分Ｓcの非像成分Ｎcの偏光状態を示し、非像成分Ｎcは、それぞれ参照成分Ｒcに対して平行および垂直である平行非像成分Ｎpaおよび垂直非像成分Ｎpに分解される。ともにストークス成分Ｓcを構成する像成分Ｉcおよび非像成分Ｎcは、同じ偏光状態および同じ中心波長であるストークス波長λsを持つ。誘導ラマン増幅器３０は、ストークス成分Ｎcの像成分Ｉcに作用し、増幅された信号出力ビームＡの像成分Ｉoutを作り出す。平行像成分Ｉpaは、参照ビームＲcの偏光状態に対して平行な偏光状態、高い相関関係ρ（Ｒc、Ｉpa）（式３）、およびストークス波長λsの中心波長を持つので、増幅される（一定のスケールでは描かれていない）。垂直成分Ｉpは、その偏光状態が、参照成分Ｒcの偏光状態に平行なはっきりと感知できる成分を持たないため、大きく増幅されない。したがって、像出力成分Ｉoutの偏光状態は、像搬送成分Ｉcの偏光状態と異なる。誘導ラマン増幅器３０は、ストークス成分Ｓcの非像成分Ｎc（図３（ｃ））に作用して、増幅された信号出力ビームＡの非像成分Ｎout（図３（ｅ））を作り出す。垂直非像成分Ｎpは、その偏光状態が、参照成分Ｒcの偏光状態に平行なはっきりと感知できる成分を持たないため、大きく増幅されない。ただし、参照成分Ｒcの偏光状態に平行な偏光状態を持つその平行非像成分Ｎpaは、相対的に低い相関関係ρ（Ｒc、Ｎpa）（式３）のために平行像成分Ｉpaの増幅に比較して大きく増幅されない。参照ビームＲが比較的に短いパルスの形を取る場合、平行非像成分Ｎpaは、本質的に、誘導ラマン増幅器３０により増幅されていない。参照ビームＲが比較的に長い広帯域確率パルスの形を取る場合は、誘導ラマン増幅器３０は、参照成分Ｒ cに関してはるかに小さい相関関数ρのために、平行像成分Ｉpaの増幅と比較した場合、はっきり感知できる利得係数分、この成分を増幅しないであろう。したがって、出力非像成分Ｎoutの偏光状態は、本来、ストークス成分Ｓcの非像成分Ｎcの偏光状態と同じである。図３（ｆ）は、ストークス成分Ｓcの偏光状態に平行および垂直な成分に分解された図３（ｄ）の像成分Ｉoutの偏光状態を示す。出力像成分Ｉoutは、ストークス成分Ｓcの偏光状態に垂直な偏光状態を有する実質的な成分を持つ。図３（ｇ）は、ストークス成分Ｓcの偏光状態に平行および垂直な成分に分解された図３（ｄ）の非像成分Ｎoutの偏光状態を示す。出力非像成分Ｎoutの偏光状態の、ストークス成分Ｓcの偏光状態に垂直である成分が存在する場合、それはストークス・ビームＳcの偏光状態に垂直な偏光状態の出力像ビームＩoutの成分に比べて、比較的に弱い。誘導ラマン増幅器３０（図１）は、ラマン・ポンプ波長λpおよびストークス波長λsの両方で信号を伝送することができるセルを具備し、ラマン物質が参照成分Ｒc によりポンピングされるときに、平行ストークス成分の誘導ラマン増幅を作り出すラマン物質（不図示）を含有する。このような誘導ラマン増幅の利得係数は、平行ストークス成分と参照成分Ｒcの相関関数ρ（式３）に依存する。誘導ラマン増幅器３０で最大利得を得るために、平行ストークス成分の波長および参照成分Ｒcの波長は、誘導ラマン増幅器３０のラマン物質の周波数シフトにより分離されなければならない。これを達成するためのもっとも信頼できる方法は、ラマン発生器６０（図２）および誘導ラマン増幅器３０を、同じ物理的な性質を持つ（および、もしラマン物質が流体である場合は、同じ圧力／密度で）同じラマン物質で満たすことである。ラマン物質が水素のようなガスである場合は、ラマン発生器６０内のラマン物質および誘導ラマン増幅器３０内のラマン物質が、同じ気体供給元から引き出され、平衡を提供するためにともに接続されるようにしてもよい。比較的に短いパルスの参照ビームＲに対しては、誘導ラマン増幅器３０の増幅係数、つまり利得は、参照成分内のエネルギーの密度または力により決定され、典型的な値は１０¹⁰のオーダである。利得は、比較的に長いパルスの広帯域確率放射参照ビームＲに対してはより小さくなる。また、比較的に短いパルスの参照ビームＲに対しては、増幅係数、つまり利得は、出力像成分Ｉout内の増幅された信号パルス像と、増幅された像の後に続く出力非像成分Ｎout内の遅延散乱光との間のコントラストも決定する。比較的に長いパルスの広帯域確率放射参照ビームＲに対しては、出力像成分Ｉoutと出力非像成分Ｎoutの間のコントラストは、相関関数ρ（Ｒ、Ｎout）（式３）の値により決定される。基本的には、上述したように（図３（ａ）−図３（ｈ））、誘導ラマン増幅器３０の目的とは、ストークス成分Ｓcの偏光状態に垂直な偏光状態を持つ出力像成分Ｉoutの成分が、ストークス成分Ｓcの偏光状態に垂直な偏光状態を持つ出力非像成分Ｉoutの成分のエネルギーを上回るエネルギーを持つように、非像成分Ｎcに比較して、像成分Ｉcの偏光状態を増幅及び／又は変更を行うことである。誘導ラマン増幅器３０は、これらの目的を、非像成分Ｎc以上に像成分Ｉcを増幅することにより達成し、そのため出力像成分Ｉoutの偏光状態がストークス成分Ｓcの偏光状態に垂直な重要な成分を持つが、出力非像成分Ｎoutの偏光状態はストークス成分Ｓcの偏光状態に垂直な重要な成分を持たない。比較的に短いパルスの参照ビーム４の場合、希望の効果はおもに増幅により達成される。比較的に長い広帯域確率参照ビームＲの場合は、希望の効果はおもに偏光状態に影響を与えることにより達成される。図１に戻って参照すると、増幅された出力ビームＡは、増幅された出力ビームＡのストークス波長λs又はその近くの部分を通過させ、他のすべての波長をブロックする出力フィルター１７５を通過する。出力フィルター１７５は、誘導ラマン増幅器３０を通過した参照成分Ｒcをブロックする役目を果たす。それから、光は、ストークス成分Ｓcの偏光状態に垂直な偏光状態を持つ光を通過させ、ストークス成分Ｓcの偏光状態に平行な偏光状態を持つ光をブロックするように向けられた出力偏光器１８０に行く。出力偏光器１８０は、このようにして、誘導ラマン増幅器３０を直接通過したストークス成分をブロックし、もっとも重要なのは、出力ビームＯの非像成分Ｎoutの大部分をブロックするということである。これは、これらの成分のどちらもストークス成分Ｓcに垂直な偏光状態のはっきり感知できる成分を持たないためである。実質的には、増幅された出力ビームＡの出力偏光器１８０を通過する唯一の部分は、その成分がストークス成分Ｓcの垂直な偏光状態を持つはっきり感知できる成分を持つ出力像成分Ｉoutである（図３）。数値に関する例として、参照ビームＲが比較的に短いパルスであり、誘導ラマン増幅器３０が１０⁹の利得を持ち、サンプル１９を通って伝送されるストークス光の散乱光部内のエネルギーが像運搬信号パルス内のエネルギーより１０⁸大きいと仮定する。したがって、散乱物質１７を通って伝送されるストークス光のすべての内、その１０^-8（または１０⁸の内の一部分）に対応する、このような光の非常に小さな断片だけが像を搬送する。明らかに、このように低いレベルの光は、背景の散乱光により圧倒されるため、人間の目や世界でもっとも鋭敏なカメラによっても見ることは不可能である。ただし、ストークス光がゲート制御された誘導ラマン増幅器３０を通過してから、像または信号パルスは１０⁹で増幅され、背景の散乱光ははっきり感知できるほど増幅されない。その結果、誘導ラマン増幅器３０の出力で、増幅された信号パルスは、現在、増幅されていない散乱光のすべての１０倍のエネルギーを持つ。それから、出力偏光器１８０の出力は、散乱物質１７からの像を中継または再結像する出力光学縦列１８５を通過し、それを検出器１９０に送る。検出器１９０は、像を検出し、その像を直接的に表示するか、あるいは適当な記録処理装置に転送する機能がある、電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラのような二次元の空間的に分解された検出器を含む。検出器１９０は、出力光学縦列１８５の出力で信号のエネルギーに呼応するのにじゅうぶんな感度を持たなければならず、複数の増幅されたストークス信号パルスを統合する機能を持ち、それが量子極限に近い信号レベルで使用できるようにするノイズ・レベルを持つ、つまり単独の光子を検出できる必要がある。結像装置１０のコントラストは、誘導ラマン増幅器３０の能力、偏光器１５０、１６０および１８０を通る誤った偏光の漏れ、物体１５および散乱物質１７の性質、ならびにビーム・ソース２０の性質を含む多くの要因により決定される。さらに、１０，０００（１０⁴）以上の消光は、偏光器１５０、１６０および１８０により達成できるため、誘導ラマン増幅器３０の能力要件は減少する。前述の例では、ストークス信号ビームの非像成分がストークス信号の像成分を越える１０⁸の係数であるなら、１０⁹という利得係数による誘導ラマン増幅器３０の増幅により、像成分Ｉoutが非像成分Ｎoutより１０ｘ倍大きい増幅された出力ビームＡが作り出されることが指摘された。しかしながら、偏光器１５０、１６０および１８０は、１０⁴という係数分、非像成分を減少させることができるので、誘導ラマン増幅器３０の１０⁵という利得係数による増幅は像成分Ｉoutの非像成分Ｎoutに対する１０という割合を提供するのに十分であろう。この時点で、ストークス照明ビームＳiの波長λsおよび参照ビームＲのパルス幅が、散乱物質１７の特性に基づいて選択され、参照ビームＲのラマン・ポンプ波長λpがラマン発生器６０内に含有されるラマン物質の種類に基づいて選択されることに注目すべきである。散乱物質１７が、人間の胸のような生きた人間の組織である例を考えてみる。この場合、ストークス照明ビームＳiは約８５０ｎｍの波長、したがってストークス波長λsを持つのが望ましい。ラマン発生器６０は、ラマン発生器６０内のラマン物質のラマン・シフトに対応する量、ラマン・ポンプ波長λpから長い波長にシフトされる光を作り出すため、ラマン・ポンプ波長λp、つまり参照ビームＲの波長は、この８５０ｎｍというストークス波長λsより短くなければならないだろう。例えば、ラマン発生器６０内のラマン物質に事前に選択した圧力での水素ガスが選択され、ストークス波長λsが希望されると、ビーム・ソース２０は、６２８ｎｍというラマン・ポンプ波長λpで参照ビームＲを作り出す必要があるだろう。今度は、前述の実施例のいくつかの特殊な代替策を説明する。ある実施例では、光学縦列９０は、ストークス信号ビームＳsの散乱サンプルＭからの光学フーリエ変換を実行してから、そのフーリエ変換されたストークス光を、ストークス遅延線１０、ストークス偏光器１５０、および結合装置１７０を経由して誘導ラマン増幅器３０に中継する。それから、誘導ラマン増幅器は、空間内で、フーリエ変換されたストークス光を増幅する。誘導ラマン増幅器３０はフーリエ変換を増幅し、像は増幅しないので、出力偏光器１８０からの出力に反応する出力光学縦列１８５は、元の散乱物質１７の像、またはその後で検出器１９０に中継されるその散乱物質１７内の場所を再構築する目的で、フーリエ変換された像の別のフーリエ変換を行う。出力縦列１８５を単純なレンズまたは高品質カメラ・レンズとすることはできるが、出力光学縦列１８５の機能が、誘導ラマン増幅器３０からの光の像を形成することより、誘導ラマン増幅器３０からの光のフーリエ変換を形成することになるように、誘導ラマン増幅器３０および検出器１９０からの出力縦列の分離が再調節される。この実施例では、最小ノイズに関して像内の構造が増幅器のフレネル番号と正確に一致することを必要としないため、増幅像でのＳＮ比は改善される。別の実施例では、ストークス照明ビームＳiは比較的に短いパルスである。ストレッチャー（不図示）が照明を散乱物質１７の中に拡張し、パルス圧縮器（不図示）が散乱物質１７から現れるストークス信号ビームＳsを圧縮する。この実施例は、サンプルの輝度を減少させるのに必要な長いパルスの利用を可能にする一方で、短いパルス・ゲート固有の高いコントラストを結合する。本発明のそれ以外の多くの変更および追加修正は、付随の請求項に定義される本発明の目的から逸脱することなく、本明細書の教訓から考えて可能であることが理解される。

Claims

【特許請求の範囲】１．散乱物質の中に、あるいは散乱物質を通して結像するための装置であって、前記装置は、（ａ）広帯域参照ビームおよびストークス照明ビームを作り出すためのソースであって、ストークス照明ビームは、散乱物質の出力でストークス信号ビームを作り出すために散乱物質内に伝送され、広帯域参照ビームは、事前に選択したラマン・ポンプ波長に中心波長があり、ストークス照明ビームは事前に選択したストークス波長に中心波長があり、参照ビームに相互に関係付けられ、ストークス信号ビームが第１像搬送成分および第１非像成分を持つようなソースと、（ｂ）ストークス信号ビームに反応して偏光されたストークス信号ビームを作り出すための手段であって、偏光されたストークス信号ビームが偏光された像搬送成分および偏光された非像成分を持つような手段と、（ｃ）偏光された参照ビームを作り出すために参照ビームを偏光するための手段と、（ｄ）ストークス波長に中心波長があるストークス成分、およびラマン・ポンプ波長に中心波長がある参照成分を持った結合ビームを作成するために、偏光された参照ビームと偏光されたストークス信号ビームを結合するための手段であって、第２像搬送成分および参照成分が相互に関係付けられ、ストークス成分の偏光状態が参照成分の偏光状態と異なるように、ストークス成分が第２像搬送成分および第２非像成分を持つような手段と、（ｅ）結合ビームに反応して、ストークス成分の偏光状態に垂直な偏光状態を持つ第３像搬送成分、およびストークス成分の偏光状態に実質上平行な偏光状態を持つ第３非像成分を有する増幅された信号を作成するための誘導ラマン増幅器と、（ｆ）ストークス成分の偏光状態に本質的に垂直な偏光状態を持つ偏光された出力ビームを作り出すための、増幅された信号ビームを偏光するための手段と、（ｇ）偏光された出力ビームに反応して、第３像搬送成分を検出するための手段と、を具備する。２．請求項１記載の装置であって、参照ビームに関してストークス信号ビームの相対遅延時間を調節するための手段をさらに具備する装置。３．請求項１記載の装置であって、前記ソースが、ソース・ビームを作成するためのパルス・レーザーと、ソース・ビームに反応して、参照ビームおよびストークス・ソース・ビームを生成するための手段と、ストークス・ソース・ビームに反応して、ストークス照明ビームを生成するための手段と、から構成される。４．請求項３記載の装置であって、前記パルス・レーザーが短いパルスのソース・ビームを作り出す装置。５．請求項３記載の装置であって、前記パルス・レーザーが短いコヒーレンスのソース・ビーム・パルスを作り出す装置。６．請求項１記載の装置であって、ストークス照明ビームを偏光させるための手段を更に具備する装置。７．請求項６記載の装置であって、ストークス照明ビームを線状に偏光させるための手段を更に具備する装置。８．請求項１記載の装置であって、限定（ａ）の前記ソースが、ラマン発生器物質を利用するラマン発生器から構成され、限定（ｅ）の前記誘導ラマン増幅器がラマン増幅器物質を利用し、前記ラマン増幅器物質が、実質上、前記ラマン発生器物質と同じ物理的な性質の同じ物質である装置。９．請求項８記載の装置であって、前記ラマン発生器物質が、気体供給元から引き出される気体であり、前記ラマン増幅器物質が、前記気体供給元から引き出される気体である装置。１０．請求項９記載の装置であって、前記発生器気体が水素である装置。１１．請求項１記載の装置であって、限定（ｂ）の偏光手段が、偏光されたストークス信号ビームを作り出すために、遅延したストークス信号ビームを線状に偏光させるための手段を更に具備する装置。１２．請求項１１記載の装置であって、限定（ｃ）の偏光手段が、偏光された参照ビームが、偏光されたストークス信号ビームに関して４５°で線状に偏光されるように、偏光された参照ビームを作り出すために、遅延した参照ビームを線状に偏光するための手段を更に具備する装置。１３．請求項１１記載の装置であって、限定（ｃ）の偏光手段が、偏光された参照ビームが、偏光されたストークス信号ビームに関して円偏光されるように、偏光された参照ビームを作り出すために、遅延した参照ビームを線状に偏光するための手段を更に具備する装置。１４．請求項１記載のシステムであって、限定（ｅ）の誘導ラマン増幅器が、参照成分の偏光状態に平行な偏光状態のストークス成分の成分と参照成分との相関関係に依存する利得係数ぶん、ストークス成分の参照成分の偏光状態に平行な偏光状態の成分を増幅する装置。